Description des logiques de d´eclenchements utilis´ees

Les logiques de d´eclenchement sont destin´ees au filtrage des donn´ees de mani`ere `a distinguer du bruit de fond des donn´ees compatibles avec un signal physique. Cette section reprend une br`eve description des logiques de d´eclenchement utilis´ees dans cette ´etude comparative dont le but est de d´efinir le syst`eme de d´eclenchement le plus adapt´e aux sursauts gamma pour un d´etecteur `a cinq lignes. En effet, dans ANTARES, les sursauts gamma, en comparaison avec d’autres sources, pr´esentent l’int´erˆet de pouvoir ˆetre ´etudi´es en utilisant aussi bien les donn´ees enregistr´ees de fa¸con standard que les donn´ees brutes, enregistr´ees suivant la m´ethode d´ecrite pr´ec´edemment. Une optimisation de l’analyse des sursauts gamma pour une p´eriode particuli`ere ou encore pour un sursaut sp´ecifique devient alors r´ealisable. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette analyse.

Les diff´erentes logiques de d´eclenchement et leurs performances (´etudi´ees sur Monte Carlo) ont ´et´e d´evelopp´ees dans les notes internes `a ANTARES [101], [102].

5.4. ETUDES DES CONDITIONS DE D ´ECLENCHEMENT 169 Niveaux de d´eclenchement locaux

Deux niveaux de d´eclenchement peuvent ˆetre d´efinis dans ANTARES. Au niveau le plus bas, un hit, c’est-`a-dire un signal dont l’amplitude exc`ede un seuil de 0.3 photo-´electron ce qui permet de supprimer la majorit´e du bruit photo-´electronique, caract´erise le niveau 0, not´e L0.

Une co¨ıncidence locale est d´efinie par au moins une paire de hits se produisant au niveau de deux photomultiplicateurs du mˆeme ´etage dans une fenˆetre de temps de 20 ns. La requˆete de co¨ıncidences locales permet d’´ecarter une partie du bruit de fond optique (40K). Ce niveau de s´election des hits est appel´e niveau 1 (L1). Un second cas intervient pour d´efinir ce niveau de d´eclenchement : les hits de haute amplitude c’est-`a-dire d’amplitude sup´erieure `a 3 photo-´electrons. Ce sont ces deux niveaux de s´election basiques qui seront pris en compte dans les diff´erentes logiques ´etudi´ees. Deux classes peuvent ˆetre d´efinies : soit par la recherche de co¨ıncidences temporelles sur des ´etages voisins ou proches soit par la recherche de corr´elations spatio-temporelles sur l’ensemble du d´etecteur.

Recherche de co¨ıncidences locales sur des ´etages proches

Logique de d´eclenchement T3 [102] Un ”cluster” (´echantillon de hits) T3 est d´efini lorsque deux co¨ıncidences locales (L1) apparaissent sur deux ´etages parmi trois contigus. La fenˆetre temporelle de co¨ıncidence est autoris´ee `a 100 ns dans le cas o`u les ´etages impliqu´es sont voisins et `a 200 ns sinon. Ces limites de temps ont ´et´e optimis´ees en consid´erant la propagation de la lumi`ere entre les ´etages. A partir de cette d´efinition, la taille du cluster T3, d´efinie dans une fenˆetre de 2.2µs (temps maximum n´ecessaire `a un muon pour traverser le d´etecteur), est modulable. La recherche d’un cluster de taille N T3 implique (N+1) ´etages comportant des L1. Ainsi, un cluster de taille 2 T3 requiert 3 ou 4 L1 tandis qu’un T3 ne demande que deux ´etages. Dans cette ´etude, des tailles de cluster les plus petites possibles, soit 1 ou 2 T3, ont ´et´e utilis´ees de mani`ere `a augmenter la sensibilit´e.

Recherche de corr´elations spatio-temporelles

Ces algorithmes de filtrage recherchent `a partir des temps des hits ainsi que des posi-tions des photomultiplicateurs dans les donn´ees un ´echantillon de hits (ou cluster) com-patible avec la trace d’un muon traversant le d´etecteur suivant la relation de causalit´e :

|∆t| ≤ D ∗ⁿ_c + 20ns (5.10)

o`u ∆t est la diff´erence de temps entre deux hits, n l’indice de r´efraction de la lumi`ere dans l’eau et D la distance en trois dimensions entre les deux photomultiplicateurs impliqu´es. L’ouverture de la fenˆetre de 20 ns a pour but de tenir compte des incertitudes sur les positions des modules optiques, de la pr´ecision de d´efinition temporelle au niveau des TVC et de la diffusion des photons dans l’eau.

Logique de d´eclenchement 1D [43] Cette logique de d´eclenchement est la s´election basique `a une dimension et requiert une direction de r´ef´erence. Cette s´election peut s’av´erer tr`es int´eressante dans le cas d’une source dont la direction est connue avec pr´ecision `a un moment donn´e. C’est le cas d’un sursaut gamma dont la position est pr´ecis´ee par un satellite quelques minutes apr`es d´etection. Ainsi, les donn´ees brutes ´etant enregistr´ees sur une dur´ee de quelques minutes autour de la d´etection du sursaut sui-vant la m´ethode d´ecrite dans la section pr´ec´edente, cette logique de d´eclenchement peut ˆetre appliqu´ee une fois la position du sursaut connue c’est-`a-dire apr`es que la direction attendue des ´ev´enements soit pr´ecis´ee. En effet, la figure de r´esolution angulaire d’AN-TARES pr´esent´ee au chapitre 1 montrait ´egalement qu’`a des ´energies exc´edant le TeV, la diff´erence moyenne d’angle entre la direction du muon reconstruit et celle du neu-trino initial est inf´erieure au degr´e. Nous pouvons alors consid´erer que la direction des muons produits est attendue comme ´etant la mˆeme que celle du sursaut. Cet algorithme s´electionne ainsi des ´ev´enements r´epondant non seulement `a des crit`eres de corr´elations spatio-temporelles mais ´egalement en accord avec une direction pr´ed´efinie. Il fonctionne suivant trois ´etapes :

1. rotation du r´ef´erentiel suivant les angles z´enithaux et azimutaux correspondants `a la direction du muon attendue (figure gauche 5.7)

2. relation de causalit´e

3. pr´e-ajustement lin´eaire des combinaisons de N hits (ou co¨ıncidences locales) s´election-n´e(e)s, avec N la taille du cluster soit 6 (4) pour l’application de la s´election au niveau L0 (L1) dans notre situation. Cette proc´edure de pr´e-ajustement est stopp´ee lorsqu’une combinaison remplit la condition χ2 ≤ χ2

max avec χ2

max d´ependant de la taille du cluster N.

Ces ´etapes sont d´etaill´ees dans les paragraphes qui suivent.

L’axe z est choisi suivant la direction du muon par rotation du r´ef´erentiel suivant les angles z´enithaux et azimutaux indiqu´es en contrainte. Ceci se traduit par une rotation des positions des modules optiques dans ce nouveau r´ef´erentiel. Une contrainte suppl´ementaire s’ajoute `a la relation de causalit´e 5.10. Le temps d’arriv´ee d’un photon Cherenkov tj sur le photomultiplicateur j est : tj = t0+ ¹ c^(zj −_{tan θ}^rj c ) + ¹ vg ( ^rj sin θc ) (5.11)

avec t0, un temps de r´ef´erence, θc, l’angle de demi-ouverture du cˆone Cherenkov, vg la vitesse de groupe et rj et zj, les composantes horizontale et verticale du photomultipli-cateur j (illustration dans la figure de droite 5.7). Ainsi, le deuxi`eme terme de l’´equation traduit le temps n´ecessaire au muon pour parcourir la distance au point o`u les photons ont ´et´e ´emis alors que le dernier terme correspond au temps de propagation des photons jusqu’au photomultiplicateur.

Pour un couple de photomultiplicateurs 1 et 2, les distances minimales d’approche entre le photomultiplicateur et la trace du muon seront not´ees respectivement r1 et r2. Comme la position de la trace n’est pas connue mais seulement sa direction, les valeurs de

5.4. ETUDES DES CONDITIONS DE D ´ECLENCHEMENT 171

(a) Illustration de la rotation du r´ef´erentiel (O,x,y,z) en (O,x’,y’,z’) suivant la direction du muon attendue d´efinie par les angles z´enithaux (θ) et azimutaux (φ)

(b) D´efinitions des composantes hori-zontale rj et verticale zj des photo-multiplicateurs

Fig. 5.7 – Principe de la logique de d´eclenchement 1D : ´etape de rotation du r´ef´erentiel (gauche) et d´efinitions pour la causalit´e (droite)

r1 et de r2 restent ´egalement inconnues. N´eanmoins, par d´efinition, la valeur de r2− r1 est maximale lorsque le muon passe par l’un des photomultiplicateurs. Le maximum de cette distance correspond `a la distance en deux dimensions entre les deux photomultiplicateurs projet´ee dans un plan perpendiculaire `a la direction du muon et sera not´e R par la suite. La diff´erence de temps entre deux hits observ´es sur les photomultiplicateurs 1 et 2 est alors contrainte de la mani`ere suivante :

1 c^(z2− z1) − ^κ_cR ≤ t2− t1 ≤ ¹_c(z2− z1) + ^κ c^{R (5.12)} avec κ = _v^c g 1

sinθc − _tanθ¹ _c. A cela s’ajoute une ouverture de la fenˆetre temporelle de 20 ns pour tenir compte des incertitudes de calibration et des incertitudes sur la diffusion de la lumi`ere.

Cette relation de causalit´e ´etant plus contraignante que la relation standard 5.10, cette proc´edure peut ˆetre appliqu´ee au niveau 0 comme au niveau 1. Dans le premier cas, la requˆete standard est de 6 L0 pour d´efinir un ´ev´enement. Ceci permet de relˆacher les contraintes par rapport au niveau 1 et donc d’obtenir un taux d’´ev´enements bien plus important, d´ependant du bruit de fond optique. Cette logique peut toutefois aussi ˆetre appliqu´ee au niveau L1 : dans ce cas, la requˆete est de 4 L1.

Certains hits apparaissant sur des photomultiplicateurs distants peuvent s’av´erer corr´e-l´es. Pour limiter ces co¨ıncidences fortuites, une condition suppl´ementaire est requise. Elle porte sur la distance transverse entre deux photomultiplicateurs impliqu´es dans une

co¨ınci-dence : leur distance dans le plan horizontal doit ˆetre inf´erieure `a une distance transverse maximale pr´ecis´ee en contrainte. Cette distance transverse maximale a ´et´e optimis´ee, pour le d´etecteur complet dans [43], suivant la direction d’arriv´ee du muon et plus par-ticuli`erement suivant l’angle z´enithal de fa¸con `a avoir un taux d’´ev´enements constant (l´eg´erement sup´erieur `a 2 kHz) en fonction de la direction. En effet, non seulement le taux d’´ev´enements baisse significativement lorsque la distance transverse maximale dimi-nue mais il change ´egalement lorsque l’on passe d’une direction verticale `a une direction horizontale. Les distances s´eparant des ´etages cons´ecutifs et des lignes voisines condi-tionnent cette derni`ere caract´eristique : dans une direction verticale, tous les ´etages d’une mˆeme ligne remplissent la condition de distance transverse maximale alors que pour une direction d’arriv´ee du muon horizontale, comme une rotation du rep`ere est pr´ealablement effectu´ee, tous les ´etages d’une mˆeme ligne ne satisfont pas `a la condition de distance transverse maximale. Ainsi, un plus grand nombre de photomultiplicateurs sont pris en compte pour les directions verticales, impliquant un plus fort taux d’´ev´enements. La va-leur de distance transverse maximale prise par d´efaut est de 90 m pour un d´etecteur `a 12 lignes. Elle d´erive de la moyenne sur toute la gamme angulaire.

Logique de d´eclenchement 3N (ou 3D Scan) Tout d’abord, l’algorithme r´eduit l’´echantillon de donn´ees `a un ensemble de co¨ıncidences locales ou de hits de forte charge (actuellement sup´erieure `a 3 photo- ´electrons). Cet algorithme s’applique au niveau de s´election des hits L1.

Dans un cluster de taille minimum 5 L1 (minimum requis pour d´efinir un ´ev´enement physique), l’algorithme recherche les corr´elations entre ces hits selon la relation de cau-salit´e 5.10. Cette relation de caucau-salit´e d´efinit la logique de d´eclenchement 3D. A cela, s’ajoute l’application du trigger 1D suivant un certain nombre de directions. Ces direc-tions sont choisies par d´efaut comme variant suivant un pas de ∆θ = 14o en angle z´enithal (θ) et de ∆φ = 2

√

1−cos(10o)

sin θ en angle azimutal. Cet algorithme de s´election des donn´ees a ´et´e introduit dans le chapitre de description du d´etecteur 2.4.2. Il correspond `a la lo-gique de d´eclenchement standard qui est appliqu´ee en temps r´eel avant enregistrement des donn´ees sur disque.

Pour toutes les logiques, les hits s´electionn´es de cette mani`ere sont nomm´es hits trigg´es. Le cluster form´e par ces hits est consid´er´e comme un ´ev´enement physique et sera enre-gistr´e sur disque. En plus des hits s´electionn´es, l’´ev´enement physique enreenre-gistr´e contient ´egalement les hits qui se sont produits dans une fenˆetre de temps de 2.2µs autour du pre-mier hit enregistr´e. Cette fenˆetre correspond au temps maximum n´ecessaire `a un muon pour traverser le d´etecteur.